A diferencia de los ordenadores clásicos, que procesan la información utilizando bits representados por los estados de encendido/apagado de los transistores, los ordenadores cuánticos utilizan bits cuánticos (o qubits) para almacenar y manipular la información. Los qubits se rigen por las leyes de la mecánica cuántica en lugar de por la física clásica, lo que permite a los procesadores cuánticos funcionar de formas fundamentalmente diferentes. En un ordenador cuántico, la información se codifica en los estados cuánticos de los qubits, que pueden existir en combinaciones de estados gracias al principio de superposición. Los qubits también pueden correlacionarse entre sí a través del entrelazamiento.

Estas propiedades cuánticas permiten a los ordenadores cuánticos abordar ciertos problemas que son poco prácticos o imposibles de resolver de manera eficiente para las máquinas clásicas. Un qubit es esencialmente un sistema cuántico de dos niveles con características únicas y potentes que constituyen la base del procesamiento de la información cuántica. Los qubits pueden implementarse físicamente utilizando una variedad de plataformas cuánticas, incluyendo circuitos superconductores, iones atrapados, átomos neutros, fotónica integrada y sistemas de espín basados en silicio, cada uno de los cuales ofrece diferentes ventajas para la construcción de procesadores cuánticos escalables.

En los ordenadores clásicos, la información se almacena y procesa en binario, lo que significa que los bits individuales solo pueden representar dos valores: «0» o «1». A diferencia del bit clásico, en el que la información se representa mediante los estados «encendido» o «apagado» de un transistor, un qubit no se limita a estar solo en los estados «0» o «1». De hecho, puede estar en ambos al mismo tiempo. Este fenómeno es un concepto fundamental de la física cuántica, conocido como superposición. Matemáticamente, podemos representar el estado del qubit (independientemente de una implementación física concreta) como un punto en una esfera unitaria, conocida como esfera de Bloch, donde el estado fundamental 0 se encuentra en el «polo norte» y el estado excitado 1 en el «polo sur». Este estado de superposición también puede extenderse a todo un registro de qubits en un fenómeno conocido como entrelazamiento, que es el elemento necesario para dar a la unidad procesadora cuántica (QPU) su ventaja computacional sobre sus homólogas clásicas. El número de estados cuánticos que una QPU puede representar se escala como 2N.

El rendimiento mejorado de los ordenadores cuánticos frente a los clásicos se traduce en aplicaciones en múltiples sectores, entre los que se incluyen: criptografía y ciberseguridad, descubrimiento de fármacos y ciencia y diseño de materiales, optimización de la cadena de suministro, inteligencia artificial y aprendizaje automático, modelización climática y energía, química y física computacional, y servicios financieros.

En muchos casos prácticos, las unidades de procesamiento cuántico (QPU) pueden considerarse aceleradores de simulación especializados. En lugar de sustituir a los ordenadores clásicos, es probable que se integren en los flujos de trabajo existentes para ejecutar pasos específicos que son clásicamente intratables, como simular sistemas cuánticos complejos o Explorer amplios espacios de soluciones. Este enfoque híbrido permite que los sistemas cuánticos y clásicos trabajen juntos, maximizando las fortalezas de cada uno.

Los errores informáticos convencionales suelen producirse porque uno o varios bits cambian inesperadamente. Se han desarrollado estrategias de corrección de errores para corregir estos cambios de bits y devolver el sistema al estado esperado. Hoy en día, la corrección de errores informáticos clásicos suele ser innecesaria y se utiliza cuando un fallo sería catastrófico y/o cuando el ordenador se encuentra en un entorno en el que es más probable que se produzcan errores, como en el caso de las misiones espaciales.

La pérdida de coherencia cuántica, conocida como decoherencia, se produce cuando las superposiciones cuánticas colapsan en estados clásicos al ser medidas. Esto ocurre independientemente de si se trata de una medición intencionada por parte de un observador o si es causada por el ruido del entorno. El sistema cuántico no puede distinguir la diferencia. Debido a la presencia de la decoherencia, los ingenieros cuánticos que construyen un ordenador cuántico deben abordar lo siguiente:

1. El registro de qubits debe estar aislado tanto electromagnética como térmicamente de su entorno, evitando el intercambio espurio de energía.
2. Las operaciones cuánticas (es decir, puertas de un solo qubit y de dos qubits) deben ser rápidas en comparación con el tiempo de decoherencia.
3. Las mediciones de qubits (lectura) deben ser rápidas y no deben alterar el estado cuántico (no demolición).

Por lo tanto, medir el tiempo de coherencia del qubit es uno de los pilares fundamentales de cualquier laboratorio cuántico. Proporciona información importante sobre la calidad del propio qubit y su blindaje, cómo se maneja utilizando puertas cuánticas, así como las características de la lectura del qubit.

Las propiedades únicas de la superposición y el entrelazamiento permiten un rendimiento antes inimaginable en aplicaciones cuánticas como la informática, la comunicación y la detección. La superposición surge de la naturaleza probabilística de la mecánica cuántica y persiste mientras el sistema no se observe ni se mida. Una vez que se produce una medición, el estado cuántico colapsa en un único resultado definido. Este comportamiento se puede visualizar utilizando la esfera de Bloch, donde el estado de un qubit corresponde a un punto en la superficie de una esfera unitaria. En el caso de los qubits superconductores, las mediciones se realizan normalmente a lo largo del eje z que conecta los polos norte y sur. Un estado en cualquiera de los polos produce un resultado definido (0 o 1), mientras que un estado en el ecuador da lugar a probabilidades iguales de medir cualquiera de los dos valores.

El entrelazamiento amplifica aún más estas capacidades al establecer fuertes correlaciones entre los qubits, de modo que el estado de cada qubit no puede describirse independientemente de los demás. Esta interconexión permite que las operaciones cuánticas actúen sobre muchos qubits simultáneamente de una manera altamente coordinada, produciendo efectos de interferencia que mejoran los resultados correctos y suprimen los incorrectos. La potencia computacional de una unidad de procesamiento cuántico (QPU) surge de este comportamiento colectivo: un registro de N qubits entrelazados se describe mediante 2ᴺ coeficientes, lo que permite al sistema representar y manipular un espacio exponencialmente grande de posibilidades a la vez. En consecuencia, los algoritmos cuánticos pueden Explorer muchas soluciones potenciales en paralelo, lo que ofrece ganancias de eficiencia espectaculares con respecto a los enfoques clásicos para ciertas clases de problemas.

Varias empresas tecnológicas importantes han demostrado ya la ventaja cuántica: la capacidad de los ordenadores cuánticos para resolver problemas que serían prácticamente imposibles para los superordenadores clásicos. Los algoritmos cuánticos reducen drásticamente el tiempo de procesamiento necesario para ejecutar simulaciones complejas de Monte Carlo y permiten realizar evaluaciones de riesgo muy sofisticadas que pueden tener en cuenta variables que antes eran inmanejables.

Aunque la computación cuántica de uso general sigue siendo una perspectiva lejana, los procesadores cuánticos especializados ya están abordando problemas de optimización para aplicaciones comercialmente relevantes que afectan directamente a las operaciones empresariales. Se prevé que se necesitarán al menos cinco años para establecer la ventaja cuántica como un diferenciador competitivo sostenible a través de enfoques patentados.

La comunicación cuántica es un método de transmisión de información que utiliza los principios de la mecánica cuántica, lo que permite una transmisión segura de la información. La comunicación cuántica se puede lograr a través de varios métodos, entre ellos la distribución de claves cuánticas (QKD), la teletransportación cuántica y el entrelazamiento cuántico. Cualquier intento de interceptar o espiar la transmisión provocaría el colapso del estado cuántico, lo que alertaría tanto al remitente como al destinatario de la violación de la seguridad.